姿控用膏体推进剂研究进展.pdf

姿控用膏体推进剂研究进展 徐亚龙“2 钦惠忠“2 陈淑秉2 胡芍药2 ( I 国防科技大学航天与材料工程学院．2 航天科技集团八院八O 六所，浙江湖州3 1 3 0 0 2 ) 摘要：研究了膏体流变性能和燃烧性能调节技术，推进荆的点火与熄火性能，并进行了发 动机多脉冲试验． 主题词：姿拄膏体推进荆，流变，燃烧，脉冲 1 前言 现代战争中目标的机动性越来越高，其对抗导弹的防卫能力也越来越强，因而提高导弹的机动能 力．提高打击精度，增强突防和生存能力，增大射程．因而需要导弹的动力系统具有随机地大幅度的 调节和多次启动的能力，对此．固体火箭发动机难以满足要求．膏体推进剂来源于固体推进剂，其具 有密度高，存储性好、随时可处于待发射状态的优点同时可以像液体发动机那样具有推力随机可调 和多次启动的能力． 膏体推进剂用于导弹姿控发动机有许多优点，可使发动机具有大的推力调节比，井实现多次启动． 其综合性能优于固体和液体姿控发动机，可以做成多型号通用的姿控发动机． 膏体推进剂是国外近二十年研究发展的推进剂新品种，它集中了液体和固体推进荆的大部分优 点，它可以承受很大的过载和温度，振动等冲击，有很高的装填系数。

俄罗斯、乌克兰等国家对膏体 推进剂研究已进行了2 0 多年，目前该项技术已趋成熟，居世界领先地位已有多种成熟的膏体推进剂 配方，在地一地弹末端制导和空- 空弹续航发动机上已获实际应用．一些小型号如卡秋莎、暴风雪、闪 电等使用膏体推进剂的改进型，射程都比原型提高2 5 ～3 0 ％．民用领域已大量用于防雹火箭弹天空号． 乌克兰的V ．H ．K u k ∞h l ( i n 教授及其同事发表论文，披露了前苏联使用膏体推进剂的太空飞船标准发动 机的试验结果，一其推力调节比可达8 0 ：1 ．关机后6 0 秒内可不采用附加点火装置而重新启动，发动机工 作时间可达3 0 0 秒以上的试验样机己获得成功，此技术拟用于多弹头分导系统．在俄罗斯和乌克兰， 膏体推进剂技术正在向多型号通用以及救生、灭火等其他领域推广． 美国的研究重点在液体凝胶推进剂方面，即在液体燃烧剂和液体氧化剂中加入少量的凝胶剂，使 之成为可泵送的触变凝胶．它更多地保留了液体推进剂的特点，可以制成单元或双元凝胶推进剂．据 报道，1 9 9 9 年3 月美国对T R W 公司制造的，使用凝胶推进剂( G e l l e dP r o p e l l a n t s ) 火箭发动机的战术导 弹进行了首次飞行试验。

飞行试验获得成功．美国也开展了膏体推进剂的研究工作．其在文献中大多 数归于凝胶推进剂 2 流变性能研究 膏体推进剂的流变性能影响其输送特性，进而影响发动机的工作状态．故流变性能是推进剂的关 键技术之一．推进莉流变性能受多种因素影响，粘合剂的粘度、悬浮的固体颗粒及其粒径、颗粒表面 性质、表面活性剂增稠剂、降温剂类等配方因素外，环境温度等都对推进剂的流变性能有影响． 2 ．1A P 粒径影响 悬浮于粘合剂中A P 颗粒越小．越有利于颗粒悬浮稳定，表l 为使用聚合物增稠剂P 及其它助剂的 推进剂的流变性能受粒径的影响．从表中可以看出，用聚合物增稠时A P 粒径越小粘度越大，屈服应 力也越大由于粒径越小，比表面越大粘度越大．在所研究的固含量范围内，3 0 ℃时使用小分子助 剂时粒径对推进剂粘度影响较小． 1 ⋯一l 聚合物P 小分子助剂 I ⋯⋯“I q ／P a s T ／P an P P a sT ／P a 1J 5 4 22 I2 7 7 ．8 1 1 7 ．89 6 ．4 4 I 2 9 8 ．9 2 0 0 ．I／／ 1 0 l 2 4 6 9I1 3 3 ．5 I1 1 88l3 5 ， 2 ．2 温度对流变性的影响 随着温度的下降．流体中分子间作用力增加，表现在流变特性上是粘度增大、屈服应力增加．膏 体推进剂同样服从此规律，温度下降。

其内部颗粒之间、颗粒与粘合剂之间及牯合剂分子之间的作用 力增加由于推进剂配方必须兼顾能量、点火性能悬浮稳定性等多方面的性能，推进剂所选用的原材 料一般都具有较大的极性，导致粘度等流变性能对温度变化更敏感 推进剂温度对粘度的影响结果为推进剂粘度随温度变化的规律符合阿累尼乌斯公式： n = A e - 胍T 在低温范围内粘度与温度关系同样符合上式，其变化趋势如图l 所示． 渤2 5 02 7 02 9 03 1 0 3 3 0 3 5 0 沮度／I 【 田I 温度对粘度影响 I S 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 5 0 0 0 2 0 0 2 2 02 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 03 2 03 4 0 蕾度旭 图2 温度对推进剂粘度影响 改变增稠剂种类及其用量、并采用助剂来改善氧化荆表面性质等措施可降低粘度温度敏感性，减 小推进剂的流动活化能．图2 为不同情况下粘度随温度变化的趋势从图中曲线可知改进后的推进荆 在低温下粘度随温度变化较为平缓( n 3 曲线) ．表2 为不同配方推进剂的粘度～温度关系、流动活化 能．粘度与温度的倒数成指数关系，随着温度的降低而增大。

样品编号n ～T 关系式 R 2 流动活化能( k ．r ／m o | 1 B 1 4 n 工7 ．0 1 0 ．7 e 5 , 4 6 9 厂r0 ．9 8 8 04 5 ．5 B 0 5n = 5 ．0 1 0 - 6 c 4 7 1 5 厂r0 ．9 5 4 9 3 9 ．2 B 2 9 n 叠3 ．0 1 04 c 3 8 2 1 厂rO ，9 9 6 73 1 ．8 B 儿 n 叫．0 1 0 - 3 e 3 0 4 5 厂r0 ．9 9 3 6 2 5 ．3 B 1 0n - - 7 ．2 1 0 - 3 《8 3 3 ．9 ／ 1 " 0 ．9 8 5 32 3 ．6 推进剂的流动活化能降低后其输送特性虽然得到改善，环境温度对推进剂流变性能的影响仍然较 大．为降低环境温度变化对发动机工作状态的影响，通常需要附加调节装置来调节推进荆流量，这就 增加了发动机重量和复杂性因此希望推进剂在一定温度范围内保持流变性能的稳定．利用纳米颗粒 型凝胶剂N 可使蠢体推进剂在+ 2 0 ～坳℃范围内牿度只有较小变化见图3 ．从图中可以看出推进荆 在2 9 3 K 到3 1 3 K 之间粘度随温度的提高而增大，其余数据点的规律与图l 图2 类似，符合一般规律，如图3 中虚线所示，按虚线计算则流动活化能为2 3 ．2 k J ／m 0 1 ． 瞄 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 扣D 1 0 0 0 衢02 7 0 2 9 0 3 1 03 3 0 细 温鹿低 图3 温度对桔度影响 具有粘度稳定特性推进剂与发动机试验用的推进剂粘度比较利于表3 ：P ，从表中数据可以看出推 进帮在3 0 ℃下的牯度基本接近，而2 0 ℃时的粘度低于B 2 9 配方，而在4 0 ～6 0 ℃范围内粘度均大于B 2 9 配方，从而使推进剂在2 0 ～6 0 " C 范围内有比较稳定的粘度。

_暮＼斟摆 t日d／巡辉 l 淹 l O2 03 0 4 0 5 0 6 0 q m a x ／U m i n B 2 9／ 1 2 9 ．3 8 6 0 5 7 ．13 4 92 8 ．5 4 ．5 2 B 4 82 2 4 ．97 4 ．59 2 31 1 148 5 ．26 1 ．3 l _ 8 2 B 5 2／I6 9 ，7l 8 7 ．1 9 0 ．6，6 8 ．9 1 ．3 2 膏体推进剂具有触变性．用滞后环线法研究膏体推进剂的触变性使用触变剂提高推进剂的触变 性，多脉冲试验用推进剂的环线包络面积为11 0 P a ，配方中加入触变剂后环线包络面积为2 0 8 P a ．具有 粘度稳定的温度区域的推进剂，其环线包络面积为2 6 1 P a ． 2 ．3 纳米颗粒型凝胶剂与聚合物凝腔剂的协同作用 纳米凝胶剂由于其巨大的比表面，颗粒表面可以吸附大量的溶剂，透过溶齐J 化膜作用影响氧化捌 颗粒．而聚合物长链在介质中伸展，可以被多个固体颗粒吸附，同时一个大的固体颗粒可以吸附多个 聚合物凝胶剂长链，由此可以形成弱交联网络结构，此结构将影响推进剂的流变性能．因此希望通过 调节两者的协同作用来调节控制推进剂流变性能． 表4 为不同含量的纳米型凝胶剂和聚合物凝胶剂共同作用对流变性能的影响．从表中数据可以看 出；聚合物凝胶剂用量固定为0 ．1 ％时推进剂的粘度和屈服应力随纳米凝胶荆N 的增加两增大，其假塑 性指数也增大；固定纳米凝胶剂N 的用量0 ．5 ％，随聚合物凝胶剂P 用量的增加推进剂粘度增加，屈服 应先基本未变，假塑性指数变化较小．对表中的数据综合分析发现，使用组合凝胶剂便于调节和稳定 推进剂粘度和屈服应力，可根据需要将粘度和屈服应力均控制在合理的范围内． 编号 N 舶P ，％ 粘度／P ”s 假塑性指数屈服应力／F a B 8 40 ，10 ．1 1 8 6 ．0 50 ．3 1 6 81 7 03 2 B 8 5 l0 ．15 7 0 ．8 6n 5 2 “4 1 89 3 B 8 l0 ．50 ．14 2 8 ．1 5 0 _ 5 0 0 33 3 00 4 B 8 2。

5O ．34 4 2 ．1 8 o t 4 4 4 63 0 2 4 5 B 8 3 O ．5 05 4 7 5 ．5 3 0 ．“0 63 1 96 1 B 5 90 ．101 6 1 ．1 7 0 ，7 4 3 24 8 1 ．1 7 B 6 l0 jO2 3 6 4 6 0 ．7 3 3 76 8 0 ．0 1 B 6 2103 4 5 6 90 ．7 3 2 59 9 7 ．9 3 B 0 0 700 ．41 5 矗8 0 ．1 5 08 2 ．7 B 0 0 6O0 62 l & 2 0 ．2 41 4 0 ．0 3 推进剂输送特性研究 3 ．1 驱动压力对流量影响 利用简易实验装置研究姿控推进剂在较低的驱动压力作用下的流动特性，挤药的流道是尺寸为由 4 X 4 5 m m 的钢管：测定了使用不同用量双元凝胶剂的推进荆流量与挤药压强关系初步研究了压强与 流量关系，以及凝胶莉种类与用量的影响． 图4 、图5 、图6 分别为使用不同用量的推进剂B 8 I 、B 8 2 、B 8 4 在不同的挤药压力下的流量与压强 关系，三个配方均采用了双元凝胶剂调节流变性能凝胶荆用量，见表1 1 ．从图中结果可以看出．流量 随着凝胶剂用量的增加而减少，随压强增加流量增大，流量受压强的影响符合指数关系． 0 { ? d 攫 圈4B 8 l 压强流量曲线 ( 0 ．1 P + 0 ．5 N ) i 鼍 V ■ 端 圈5 船2 压强一流量曲线 ( 03 p + o ．5 N 压强( M P a ) 图8B 8 4 压强流量曲线 图7 、图8 为两个采用的纳米凝胶剂N 的配方推进剂的流量随压强比变化的曲线．从圈中可以看出， 此类推进剂的流量随压强增加而增加，且存性关系． 5 0 4 0 言3 0 ≥2 0 袭如 0 0 n 5 l 1 ．5 压强( 1 I P a ) 图7B 8 7 压强流量关系曲线 1 1 4 6 童1 1 0 2 。

8 葵 ； 0 0n5 l 1 ．5 压强( 圩a ) 圈8 聃8 压强流量系曲线 结果发现，低驱动压力下t 聚合物凝胶的存在使推进剂流量对驱动压力更为敏感．这可能是因为 聚合物的多分散性，使其与颗粒之间的作用力及聚合物链之问的缠绕作用存在多分散性，随着压差的 增加由这些作用力而形成的聚集结构破坏在逐渐加剧，流动的阻力减小，流量增大．可以推断，当压 差达到一定大小时，这些聚集结构完全被破坏，其流动性对压力的敏感性将减弱． 而单独使用纳米凝胶增稠剂的推进剂，流量与驱动压力存性关系．牛顿流体在半径为R 长度 为L 圆管中的流量与驱动压力的关系符合哈根．泊肃。